本文介绍了地面三维激光扫描的工作原理，研究了点云数据滤波去噪、点云拼接、曲面重构等数据处理技术以及三维建模，实例结果表明，基于地面三维激光扫描技术建立的建筑物三维模型可以较好地表达建筑物的几何特征。
标签：点云数据 三维激光扫描 点云拼接 三维建模
1引言
三维激光扫描技术是一门新兴的测绘技术，该技术可以真正做到直接从实物中进行快速的逆向三维数据采集及模型重构，无需进行任何实物表面处理，快速获得完整的原始测绘数据并高精度地重建扫描实物，为获取空间信息提供了一种全新的技术手段。它是一种先进的全自动高精度立体扫描技术，又称为“实景复制技术”，是继GPS空间定位技术后的又一项测绘技术革新。目前，激光三维扫描仪及其配套软件的应用前景广泛，可以在文物保护、工厂改建、危岩体调查、变形监测、桥梁改建、电力设施测量、大型工业设备的安装监测、溶洞调查、数字城市地形可视化测量、城乡规划测量等方面的测绘发挥作用。本文基于RIEGL VZ-1000三维激光扫描成像系统，以某校圖书馆大楼为研究对象，探讨分析利用三维激光扫描仪获取空间三维空间数据并建立建筑物实体三维模型的技术方法。
2地面三维激光扫描仪工作原理
地面型三维激光扫描系统工作原理为扫描仪发射器发出一个激光脉冲信号，经物体表面漫反射后，沿几乎相同的路径反向传回到接收器，可以计算目标点P与扫描仪距离S，控制编码器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值α和纵向扫描角度观测值β。三维激光扫描测量一般为仪器自定义坐标系，X轴在横向扫描面内，Y轴在横向扫描面内与X轴垂直，Z轴与横向扫描面垂直。
3建筑物三维建模过程
3.1数据采集
地面三维激光扫描获得的原始数据由离散矢量距离点构成，它是一个点的集合，称之为“点云”。建筑物的表面模型即由这些点集构成。在利用三维激光扫描仪对建筑物进行数据采集之前，需依据实地的地形、建筑物的大小与复杂程度等因素，设计合理的扫描路线，确定标靶数与标靶位置，确定合理的扫描范围、采样密度以及扫描距离。完成了相关参数的设定，便可开始进行数据采集。地面三维激光扫描仪最终获取的数据包括被扫描建筑物的点云数据与外置相机获取的影像信息。
3.2数据处理
数据处理一般包含下面几个步骤：噪声去除、多视对齐、数据精简、曲面重构。
（1）噪声去除
除去点云数据中扫描对象之外的数据。在扫描过程中，由于某些环境因素的影响，比如移动的车辆、行人以及树木等也会被扫描仪采集，这些数据在后处理时需要删除。
（2）多视对齐
由于被扫描建筑物过大或形状复杂，扫描时往往不能一次采集被扫描物体的所有数据，需要在不同位置设站进行多视角扫描，而这些不同测站之间的点云数据就需要对齐、拼接，这个工作称之为多视对齐。
（3）数据精简
由于点云数据是海量数据，在不影响曲面重构和保持一定精度的情况下需要对数据进行精简。
（4）曲面重构
为了真实地还原扫描目标的本来面目，需要将扫描数据用准确的曲面表示出来，这个过程叫曲面重构。完成曲面重构后，就可以进行三维建模，还原扫描建筑物的本来面目。
3.3三维建模
通过采集的点云数据构建建筑物的三维模型通常有如下几种构造方法：①三角形网格蒙片法，用来建立不规则几何体的三维模型；②运用点云匹配算法，将分割后的点云与三维模型组件库中的组件相对应，用来建立规则几何体的三维模型；③从点云数据中挖掘建筑物的重要边界点、特征线、形体等信息，为建立建筑物的三维模型提高精确的空间几何信息，运用Auto CAD或专业建模工具3DSMax进行建模。
4实例分析
本文以某校的图书馆大楼为例，利用RIEGL VZ-1000三维激光扫描仪对其进行三维激光扫描数据采集。数据处理采用RIEGL公司开发的与仪器配套的Riscan Pro软件，首先对原始点云数据进行过滤去噪，删除杂点数据；然后在Riscan Pro软件中，依据数据采集时布设的平面标靶点，利用它们的高对比度特性完成各个站点之间的拼接，使所用的点云数据在统一的坐标系下。将已经完成的线框模型导入到3DSMax中，依据提取的图书馆大楼的表面特征线完成图书馆大楼的三维模型的建立，利用扫描时采集的图书馆大楼的数码照片对三维模型进行纹理映射，使所建的三维模型更具有真实感，结果如下图所示。
5结论
三维激光扫描技术为三维精确建模提供了一种快捷的数据采集与模型建立的方法。本文以某校图书馆大楼模型的建立为例，分析研究了利用三维激光扫描仪对建筑物进行点云数据采集以及点云数据噪声去除、多视对齐、数据精简、曲面重构等关键技术；针对去噪后存在的点云空洞现象，通过对建筑物特征线进行提取，并采用基于线框模型的方法实现图书馆的三维表面模型。实例分析表明，基于地面三维激光扫描技术可以快速、高效地实现建筑物三维模型的建立。
参考文献
[1]梅文胜，周燕芳，周俊.基于地面三维激光扫描的精细地形测绘[J].测绘通报，2010，（1）：53-56.
[2]姚宏，姚娜，刘迎新，姜胜虎.青岛世园会植物馆幕墙工程三维激光扫描技术[J].施工技术，2013，42（21）：103-105.
[3]李滨.徕卡三维激光扫描系统在文物保护领域的应用[J].测绘通报，2008，（6）：72-73.下载本文
